- 겨울철 자연냉열로 여름철 시설하우스 냉방, 폭염아 물러가라

- 동절기 차가운 자연냉열을 저장하였다가, 하절기 하우스에 냉방

- 국내 최초 동절기 자연냉열의 고효율 확보 위한 열교환 장치 개발 및 실증 성공

- 급격한 기후변화로 인한 하우스 폭염피해 예방 및 탄소배출 저감 기여

[사진자료] 연구진이 개발한 기포자가진동현상(OHP)이용 자연냉열생산 열교환 장치

□ 국내 연구진이 차가운 겨울철 냉기를 이용, 땅속에 저장했다가 한여름에 꺼내 하우스 등의 냉방에 이용하는 새로운 냉방 기술을 개발했다.

■ 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 에너지네트워크연구실 윤영직 박사 연구진이 겨울철 차가운 냉기를 이용해 여름철 농촌의 하우스 냉방에 이용할 수 있는 기포자가진동현상*을 적용한 열교환장치** 개발에 성공했다.

* 기포자가진동(self-excited bubble oscillation): 양쪽에 온도차가 존재할 때, 기포를 포함한 슬러그류가 외부동력 없이 빠르게 진동하는 현상

** 열교환 장치(Heat exchanger): 온도가 높은 물체에서 낮은 물체로 효율적으로 열을 이동시키는 장치이며, 일반적으로 액체 또는 기체 등의 유체를 취급

□ 한여름 폭염에 달궈진 하우스 온도는 50~70℃에 육박해 농작물의 생육에 치명적이다. 폭염을 막기 위해 전기냉방기기에 의존하고 있으나, 한여름 불볕더위에는 한계가 있고 높은 에너지비용은 농가에 큰 부담이 된다. 특히나 올해는 고유가에 따른 전력 요금의 상승 등으로 전력소모가 많은 전기냉방보다는 자연에너지 또는 자연 친화적인 자연냉각의 원리를 이용한 새로운 개념의 냉방기술 개발이 더욱 절실한 상황이다.

■ 이러한 가운데 연구진이 외부 동력이 필요 없는, 기포자가진동현상을 이용한 고성능 열교환 장치 개발에 성공해 새로운 패러다임의 냉방기술 시대를 열었다.

□ 연구진이 개발한 열교환장치는 차가운 외기와 축냉조에 연결된 구불구불한 형태의 모세관 튜브와 튜브 내부의 냉매로 구성돼 있다. 그리고 땅속에는 냉기의 저장매체로 물이 축냉조에 보관돼있다.

□ 겨울철에는 차가운 외부 공기와 상대적으로 덜 차가운 땅속 물이 온도 차이가 발생한다. 이렇게 열교환 장치 양쪽 끝에서 발생하는 온도차로 내부 냉매가 빠르게 진동하고 흐름이 발생하며 많은 양의 열을 빠르게 전달한다. 즉 땅속 물의 열이 더 차가운 외부로 방열되면서 물 온도는 점점 낮아져 매우 차갑게 되고 이를 여름까지 보관한 후 이용하는 것이다.

■ 이때 열교환 장치 작동에는 외부 동력이 필요 없기 때문에 운전비용이 전혀 들지 않는다. 또한 물질의 상변화*를 통한 잠열을 이용하면 많은 양의 열을 전달할 수 있기 때문에 기존 열 교환 기술에 비해서도 에너지 소비량은 50% 이상, 크기는 30% 이상 줄일 수 있다. 이를 통해 냉열 생산 효율은 극대화되고 장치 제작에 소요되는 단가 절감도 가능하게 되어 매우 경제적이다.

* 상변화(phase change): 상태 변화의 다른 말이다. 고체에 열을 가하면 액체로 변하고, 액체에 열을 가해 기체로 변하는 것을 상변화라고 한다.

■ 연구진은 냉열 생산 열교환 장치를 2022년 3월부터 강원도 평창군 소재의 서울대학교 평창캠퍼스 실증 부지에 설치해 냉열 생산과 냉열 저장 실증 실험을 수행했다. 이를 통해 약 1kW의 냉열 생산 성능으로 약 4.5℃의 냉수를 생산해 1톤 용량의 지중 축냉조에 저장하는 결과를 보였다. 특히 3월 이후의 실증 결과이므로 더 낮은 외부 기온 조건에서는 더 낮은 온도의 냉수를 생산할 것으로 보고 있다.

□ 이후 연구진은 열교환 장치의 용량과 성능을 높인 후 올해 10월에 완공되는 서울대학교 평창캠퍼스 스마트팜 첨단농업단지 내 100평 규모 유리 온실을 대상으로 국내 최초로 냉방 공급 실증을 진행한다. 그리고 더 나아가 식물 공장형 인도어 팜, 도심 건물 등 다양한 수요처의 냉방 및 공조 기술로 확장할 계획도 가지고 있다.

■ 연구책임자인 윤영직 박사는 “세계적인 급격한 기후위기에 따른 식량안보 강화를 위해서는 고효율, 저비용의 신재생에너지기반 시설하우스 냉방기술 확보가 중요하며, 겨울철 신재생 자연냉기를 이용한 냉방기술이 좋은 대안이 될 수 있을 것”이라고 말했다.

□ 한편 이번 연구는 농림축산식품부, 과학기술정보통신부, 농촌진흥청이 공동으로 주관하는 스마트팜 다부처 패키지 혁신기술개발사업 및 연구원 기본사업의 지원으로 수행됐다.

[사진자료] 연구진이 자연냉열생산 열교환장치를 이용한 온실 냉방공급 테스트를 하고 있다